Reforzamiento de Estructuras en Instituciones Educativas

REFORZAMIENTO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO EN CENTROS

EDUCATIVOS DE PUCALLPA

REALIZADO POR :

ING. EDGARDO L. GALARZA JORGE

PUCALLPA, MAYO DEL 2,015

Presentacin

Cap. I : Descripcin y Generalidades

Cap. II : Objetivo del Reforzamiento

Cap. III : Proceso del Reforzamiento

Cap. IV : Descripcin de la Estructura

Cap. V : Criterio de Reforzamiento

Cap. VI : Espectro Norma Peruana NTE 030

Cap. VII : Cargas para el Anlisis dinmico

Cap.VIII : Comportamiento de la Estructura Daada

Cap. IX : Esquema del Reforzamiento

Cap. X : Procedimiento Analtico

Cap. XI : Criterio de Diseo

Cap. XII : Comportamiento esperado de la Est. Reforzada

Cap. XIII: Aspectos Constructivos del Reforzamiento

Cap. XIV: Conclusiones

CAPITULO I

DESCRIPCION

Y

GENERALIDADES

Descripcin y Generalidades

1. El presente trabajo de investigacin se planteo como

solucin a los problemas presentados en la mayora de

Centros Educativos de la ciudad de Pucallpa producto

de un diseo inadecuado donde en la mayora de

casos se presentaban deterioros.

2. La estructura corresponde al C.E.N 64011 Sor

Annetta de Jess ubicada en la ciudad de Pucallpa

(Ucayali-Per) y ejecutada por el Gobierno Regional de

Ucayali a travs de la Gerencia Regional de

Infraestructura.

3. A fin de optimizar costos se planteo la reparacin yreforzamiento de la estructura proponiendo unreforzamiento estructural tratando de mantener laapariencia de la edificacin y obtener un adecuadocomportamiento de esta frente a solicitacionesssmicas y cargas de gravedad, los cuales han sidolas principales consideraciones para establecer eldiseo del reforzamiento.

4. La edificacin es esencialmente una estructuraaporticada de concreto armado con techo aligerado enla primera planta y cobertura liviana en el segundonivel (tpica en los centros educativos de la zona), lacual es flexible en su direccin longitudinal (eje y) yrgida en el sentido transversal (eje x).



5. Para definir el reforzamiento, previamente se tuvo querealizar la evaluacin estructural del edificio, toda vezque esta estructura se encontraba en proceso de falla(por accin de cargas gravitacionales) en susdiferentes elementos, producto de un mal diseoestructural; por lo que la opcin considerada para elreforzamiento de la estructura fue de incrementar lasdimensiones en sus elementos estructurales (zapatas,columnas y vigas), obteniendo as una mayorresistencia con respecto a la que tenia inicialmente.


6. Asimismo se consider esta opcin, debido a que estesistema es el que mejor se ajustaba a nuestra realidad,toda vez que se realiz mediante un apuntalamientoutilizando madera de la zona (Quinilla) en los lugarespreviamente determinados; por tratarse de incrementosen las dimensiones del Concreto Armado, las que a finde mantener su unidad se tuvo que utilizar resinasepxicas en dosificaciones adecuadas.


7. Cabe sealar que el reforzamiento practicado, hasolucionado un gran inconveniente en el CentroEducativo, ya que adolece de aulas y para este casose habilitaron 10 aulas, las mismas que inicialmente sehaba propuesto demolerlas, toda vez que la prcticadel reforzamiento estructural no es usado en estaregin y por ende constituye el primer trabajo en estamodalidad en Centros Educativos, los que en adelantedebern ser tomados en cuenta par evitar gastosinnecesarios.

OBJETIVO DEL

REFORZAMIENTO

CAPITULO II

Objetivo del Reforzamiento

1. El objetivo del reforzamiento, fue buscar una estructurasana, bien configurada que cumpla con las exigenciasde la norma E-030 de Diseo Sismorresistente vigente.En nuestro caso especifico de lo que se trata esreparar tabiquerias de ladrillo que por encontrarseadheridas al sistema aporticado han sufridofisuraciones en diferentes direcciones; as tambindeber practicarse un reforzamiento en los elementosestructurales del sistema aporticado (Zapatas,Columnas, y Vigas).

CAPITULO III

PROCESO DEL

REFORZAMIENTO

Proceso del Reforzamiento

1. El proceso de reparacin y reforzamiento, implica lossiguientes pasos:

a) Debido a que no se cont con informacin (Exp.Tcnico) de la estructura existente se tuvo queefectuar el levantamiento arquitectnico y estructuraldel edificio.

b) Se efectu la propuesta de la reparacin yreforzamiento, que incluy la designacin de los muros de albailera a reparar la cual dependi de una evaluacin de daos; as como la ubicacin de los elementos de Concreto armado que deban reforzarse a fin de proporcionar una adecuada configuracin estructural y una mayor ductilidad alcanzable en trminos prcticos.

Proceso del Reforzamiento

2. Se hizo el anlisis de la estructura antes y despus delreforzamiento para definir su idoneidad y proceder aldiseo.

3. Se procedi a la Construccin de refuerzos y ejecucin dela reparacin.

CAPITULO IV

DESCRIPCIN DE LA

ESTRUCTURA

1. La estructura corresponde a un edificio de 02 pisos deConcreto Armado con techo aligerado en el 1 piso ycobertura liviana en el 2 nivel. El rea techada del 1nivel es de 423.36 m2 y el 2 nivel tiene 459.68 m2, laaltura total es de 7.50 m.

2. El uso del edificio es para un Centro Educativo, todo elbloque esta particionado mediante junta deconstruccin, la cual se divide en un bloque de 03aulas y otra de 02 aulas .

Descripcin de la Estructura


3. En cuanto a las caractersticas de los materiales, estosno fueron sometidos a ensayos de laboratorio. Seconsidero los elementos homogneos. La resistencia ala compresin del Concreto de las zapatas, columnas,vigas y losa aligerada es de fc=175 Kg./cm2, con unmodulo de elasticidad del concreto de 15,000fck/cm2, adems se consider un peso unitario delconcreto de 2,400 kg/m3, la losa aligerada es de 20cm.de espesor. El esfuerzo de fluencia del acero derefuerzo es de 4,200 Kg./cm2 y Es=2 x 106 Kg./cm2.

4. En la direccin X-X, se tiene la presencia de muros dealbailera con unidades de ladrillo tubular, por lo quesu aporte en la resistencia lateral ser nula .

5. El esquema estructural adoptado inicialmenteconsidero columnas cuadradas de 0.30m. x 0.30m. yvigas rectangulares de 0.30m.x 0.60m. para losprticos libres del eje X; las vigas longitudinales (EjeY) fueron de 0.30m.x 0.40m., las luces a cubrir erande 7.62m., en el interior de las aulas y 2.18m, en elpasadizo. El techo en el primer nivel es de una losaaligerada de 20cm. de espesor armada en unadireccin y en el segundo nivel se tenan armaduras demadera con cobertura de calamina.



6. Los elementos rigidizantes tanto en la direccin Xcomo Y solo lo conforman los prticos de CA; estetipo de estructura en el sentido longitudinal Y esdefinida como flexible. El peso total de la estructura esde 745.14Tn., que incluye los dos bloques.

CAPITULO V

CRITERIO DE

REFORZAMIENTO

Criterio de Reforzamiento

1. Luego de la evaluacin de la estructura daada, seopto por asignar mayor resistencia, incrementando lasdimensiones en los diferentes elementos estructurales,sin dejar de lado la ductilidad para un buencomportamiento ssmico, as tambin se mantiene laapariencia del edificio.

2. El criterio del reforzamiento, esta basado en las NTEE-030 de Diseo Sismorresistente. El Diseo delreforzamiento tiene por objetivo prevenir el colapso dela estructura y reducir los daos importantes a loselementos estructurales y no estructurales, peroconsiderando algn dao no estructural.

3. El espectro de Diseo que la NTE E-030 emplea, tieneuna probabilidad de excedencia del 10% para unperiodo de 50 aos. Se realiz el anlisis espectralconsiderando 03 grados de libertad en el diafragmargido del primer nivel.

4. Debe sealarse que los daos producidos en laestructura se deben fundamentalmente por un maldimensionamiento en la cimentacin de la estructura,pero igual para el reforzamiento no podra realizarsesin tener en cuenta el comportamiento ssmico.

Criterio de Reforzamiento

CAPITULO VI

ESPECTRO DE NORMA

PERUANA NTE-030

Espectro de Norma Peruana

NTE-030

Configuracin de Estructura : regular

Edificacin : de 02 niveles

Sistema Estructural : direccin X=Y, R=8

Anlisis Dinmico :

Factor de zona Z = 0.3 (zona 2)

Categora de Edificacin U = 1.5

Factor Amplificacin Suelo S = 1.4

Periodo predominante Suelo Tp = 0.9

Factor Amplificacin Ssmica C = 2.5

Espectro de Norma Peruana

NTE-030

ESPECTRO DE LA NORMA PERUANA NTE030-2005

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2

T

Sa

CAPITULO VII

CARGAS PARA EL

ANLISIS DINAMICO

1. Para efectos del anlisis, solo se considerar el bloquede tres aulas, por lo que se realiz el metrado decargas correspondiente para cada nivel de laestructura, considerando la carga muerta y carga vivade la Norma E-020; los resultados se indican en lasiguiente tabla:

Cargas para el Anlisis Dinmico

Nivel Peso Masa kg. s2/m

1 200,410 20,450

2 176,688 18,029

CAPITULO VIII

COMPORTAMIENTO DE

LA ESTRUCTURA

DAADA

Comportamiento de la

Estructura Daada

1. Se realiz el anlisis tridimensional espectral de laestructura, a fin de mostrar su comportamiento real, setrabajo con una inercia agrietada del orden del 50%,obtenindose los siguientes resultados, segn elcuadro que se muestra:

Nivel Altura

Elastico Amplificado Elastico Amplificado

(m) (m) (m) (m) (m)

2 3.825 0.0069 0.0414 0.0094 0.0564

1 3.675 0.0052 0.0312 0.0067 0.0402

CUADRO DE DESPLAZAMIENTOS EN ESTRUCTURA DAADA

DESPLAZAMIENTOS EN X DESPLAZAMIENTOS EN Y

CAPITULO IX

ESQUEMA DEL

REFORZAMIENTO

1. La opcin por reforzar mediante el incremento dedimensiones en los elementos estructurales es debidoa que en lo posible se deber:

a).-Mantener la apariencia de la Estructura.

b).-Maximizar el rea disponible.

c).-Utilizar procedimientos constructivos que seanadecuados y de fcil empleo por la mano

de obra de la zona, as tambin los materiales yequipos necesarios.

Esquema del Reforzamiento

Esquema del Reforzamiento

2. Se consider este proceso ya que su procedimientoconstructivo no necesita mayor detalle, en todos loscasos se trata solo de un adecuado apuntalamientopara luego realizar el reforzamiento en la zapata,seguidamente en las vigas y columnas que seejecutarn simultneamente.

CAPITULO X

PROCEDIMIENTO

ANALITICO

Procedimiento Analtico

1. Se realiz el anlisis espectral segn la norma NTE E-030 teniendo en cuenta dos etapas, la primeraconsiderando a la estructura mostrando los daosestructurales y la segunda a una estructuraconsiderando la propuesta de reforzamiento. Para elanlisis se utiliz el programa SAP-2000, el cual utilizael mtodo de aceleracin espectral. El modelo utilizadoobedece a una combinacin de elementos tipo framesy Shells. El primer nivel tiene desplazamientos en X , Yy rotacin Z con diafragma rgido, la segunda plantasolo desplazamientos en X,Y por tratarse de unacobertura liviana. Ver fig. 10.1


MODELO DE ESTRUCTURA REFORZADA

CAPITULO XI

CRITERIO DE DISEO

Criterio de Diseo

1. Se utiliz el espectro de la Norma NTE E-030 para lalocalidad de Pucallpa, la cual fue aplicada al modelomatemtico.

2. El criterio de diseo del reforzamiento estructuralfueron los siguientes:

a).-Mantener un dao limitado.

Criterio de Diseo

b).-Los desplazamientos laterales relativos deentrepiso fue limitado al 0.007 (para los ejes X, Y)dado por la NTE E-030

c).-Redistribuir la fuerza cortante asignando mayoresvalores a los elementos reforzados (prticosliberados) y reduciendo esfuerzos en los prticos noreforzados, a fin de garantizar un adecuadocomportamiento de la estructura.

CAPITULO XII

COMPORTAMIENTO

ESPERADO DE LA

ESTRUCTURA REFORZADA

Comp. Esperado Est. Reforzada

DISTORSIONES

1. El comportamiento estructural de la edificacin enproceso de falla y la reforzada se muestra acontinuacin, asimismo una comparacin de ambasdistorsiones y los daos, teniendo en cuenta el limitede la Norma E-030

2. De los cuadros se observan que la estructura reforzadaadquiere un buen comportamiento dinmico debido aque las distorsiones fueron reducidas por debajo de loslimites permisibles sealados en la NTE E-030 es decirde 0.007

Nivel Altura

Amp* Relat. Amp* Relat. X Y

(m) (m) (m) (m) (m) (m) (m)2 3.675 0.0414 0.0102 0.0564 0.0162 0.0027 0.0044

1 3.825 0.0312 0.0312 0.0402 0.0402 0.0081 0.0105

Nivel Altura

Amp* Relat. Amp* Relat. X Y

(m) (m) (m) (m) (m) (m) (m)2 3.675 0.0275 0.0096 0.0404 0.0153 0.0026 0.0042

1 3.825 0.0179 0.0179 0.0251 0.0251 0.0047 0.0065

* Desplazamiento Amplificado = Desplaxzamiento Elastico x 0.75 R, (R=8)

Distorsin Max (E030-03) = 0.007

Cuadro de Desplazamientos y Distorsiones en Estructura Daada

Cuadro de Desplazamientos y Distorsiones en Estructura Reforzada

DESPLAZAMIENTOS EN X

DESPLAZAMIENTOS EN X DESPLAZAMIENTOS EN Y

DESPLAZAMIENTOS EN Y Distorsin

Distorsin


MOMENTOS EN VIGAS

1. Se observa que producto del reforzamiento se hagenerado una redistribucin de los esfuerzos,reducindose los valores en las vigas del eje X, adiferencia de las vigas longitudinales (eje Y) donde sehan incrementado los esfuerzos, pero el acerorequerido en este caso no supera la cuanta mnima(ver figura 12.2). Se consideraron las siguientescombinaciones de diseo:

U = 1.4 CM + 1.7 CV

U = 1.25 (CM + CV) CS

U = 0.9 CM CS


DIAGRAMA DE MOMENTOS EN ESTRUCTURA REFORZADA


CAPITULO XIII

ASPECTOS

CONSTRUCTIVOS DEL

REFORZAMIENTO

Aspectos Constructivos del

Reforzamiento

REFORZAMIENTO DE ZAPATAS

1. Segn los requerimientos del diseo para elreforzamiento, se tuvo que incrementar lasdimensiones de acuerdo a lo indicado en los planos(como se muestra en la figura 13.1), para lo cual previoa un apuntalamiento mediante puntales y vigas demadera tipo Quinilla; se tuvo que retirar parte de lazapata utilizando un taladro de revolucin a fin de nogenerar mayores deterioros en la zapata existente,luego se coloc la malla de acero en la parte inferior ysuperior de la nueva zapata,

REFORZAMIENTO DE ZAPATAS

2. La excavacin se realiz segn las nuevasdimensiones por lo que no fue necesario el encofrado,la calidad del concreto fue de fc= 210kg/cm2 para sullenado previamente se limpio toda la superficie de lazapata existente recortada con aire a presin, paraluego cubrir con una resina epxica tipo Sikadur, lamisma que sirve para mantener de una manerasolidaria el concreto nuevo con el antiguo.


Reforzamiento


Reforzamiento

REFORZAMIENTO DE COLUMNAS

1. Este proceso se inicia con el retiro de todo elrecubrimiento de la columna existente mediante unescarificado realizado adecuadamente tratando deevitar mayores deterioros en este elemento, luego seubic el acero longitudinal que fue anclado mediantesoldadura tipo Tenacito (electrodo de clasificacin aws8018g) en la malla superior de la zapata,posteriormente se colocaron los estribos, los mismosque parcialmente en forma de U se colocaron segnse indica en los planos teniendo en cuenta suductilidad, es decir se confinaron los estribos en mayornumero en los extremos,


Reforzamiento

REFORZAMIENTO DE COLUMNAS

2. seguidamente se procedi al encofrado de acuerdo alas nuevas dimensiones, previamente se realiz lalimpieza de toda la superficie de la columna con aire apresin y luego de cubrirlo con resina epxica demayor tiempo de aplicacin se realiz el llenado delconcreto fc = 210 Kg./cm2 y a fin de obtener unaunin rgida con la viga se efectu un vaciado solidario(ver figura 13.2).


Reforzamiento

REFORZAMIENTO DE VIGAS Y CARTELAS

1. En cuanto a estos trabajos y de acuerdo al diseorealizado, previo al apuntalamiento correspondiente seprocedi a trabajar en los extremos de la viga, en lacual se generan los mayores esfuerzos por lo que a finde incrementar su capacidad resistente se procedi arealizar un acartelamiento, para tal efecto se eliminmediante un escarificado todo el recubrimiento en unalongitud de 70cm (zona de rotula plstica),


Reforzamiento

REFORZAMIENTO DE VIGAS Y CARTELAS

2. luego se procedi a la colocacin del refuerzo de acerolongitudinal y transversal los mismos que fueronadheridos a la estructura existente mediante soldaduracon especificaciones similares a los utilizados en elreforzamiento de la columna; para el proceso devaciado de concreto (fc = 210 Kg./cm2) al igual que entodos los casos y con las mismas especificaciones seutiliz la resina epxica de mayor tiempo de aplicacin,para el llenado del conjunto viga - columna se procedia perforar la losa aligerada adyacente a la viga areforzar.

0.30

0.60

0.40

CORTE Z-ZESC.

1/25

PLANTA DE AGUJERO EN VIGA

EXISTENTE (S6-01)ESC.

1/25

CAPITULO XIII

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

1. El esquema planteado se acomoda a la apariencia dela estructura y sus requerimientos de utilizacin

2. Se controla adecuadamente los desplazamientos y lasdistorsiones del sistema reduciendo los daos en loselementos no estructurales.

3. El costo total de la obra teniendo en cuenta elreforzamiento ejecutado fue de S/.125,000 (10 aulas),en caso de haberse practicado la demolicin total yuna ejecucin nueva; el costo de obra bordea losS/.500,000; por lo que se concluye que el costo dereparacin representa el 25% del costo de la obranueva.

CONCLUSIONES

4. Sera conveniente completar el estudio con registrosssmicos, as como realizar un anlisis no lineal, paramejorar los resultados.

5. Se debe dar mayor importancia y difusin a este tipode trabajos toda vez que se optimizan mejor losrecursos econmicos que son escasos en nuestrostiempos

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